基于音圈电机伺服控制的应用研究

DSP和ARM的音圈电机伺服控制系统设计于地下金属矿设备精确定位与智能导航项目，拟通过二维激光定位和导航基站对地下金属矿设备进行精确定位和导航，音圈电机用于二维基站俯仰方向激光的定位和扫描。

系统除了要完成音圈电机的驱动控制，还需要完成水平方向电机的位置环控制算法，并与地下金属矿设备(以下简称上位机)之间进行以太网数据交换。

课题中，音圈电机的型号为VARS0022032～00A，主要参数如下：总行程为32°，最大输出转矩为0.22 N-m，最大电流为1.4 A，最大电压为15.5 V。

TMS320F28335 是32 位浮点型数字处理器，指令周期约为6.67 ns，适合复杂高速的计算。

STM32F107 是意法半导体的互联型系列微控制器产品，集成了很多高性能工业标准接口。

其中，包括两个12 位A/D(模数)转换器、1 个以太网10/100 Mbps MAC 模块、3 个SPI 接口。

系统中DSP 主要完成系统初始化、位置控制算法，ARM 主要完成PWM 波产生、A/D 采集控制、电流环计算、以太网通信、电机限位和过流保护，以及DSP 之间的数据交换等。

从DSP 的角度，ARM 可以看做是其协处理器。

系统控制功能划分图如图2 所示。

2.2 ARM 功能设计根据2.1 节中的功能划分，来介绍ARM 部分功能模块的设计。

2.2.1 PWM 模块设计STM320F107 具有一个16 位的可产生电机控制PWM 波的定时器，能设置死区时间，同时还能进行急停处理，因此采用STM320F107 定时器模块的增减计数器、比较寄存器和比较器来实现PWM 波的产生。

为了防止功率驱动电路中上下管直通造成电源短路，可以通过配置定时器模块的死区寄存器，在PWM信号中加入死区，使同相的上下桥臂驱动信号错开一个死区时间，防止功率器。

音圈电机的原理及应用音圈电机(Voice Coil Motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。

具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性。

近年来，随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速、高频激励上也得到广泛应用。

如：光学系统中透镜的定位、机械工具的多坐标定位平台、医学装置中精密电子管、真空管控制等。

本文将系统讨论音圈电机的工作原理、结构及其应用场合。

1. 音圈电机的工作原理1.1 磁学原理音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强弱B、电流I、以及磁场和电流的方向(见图1)。

如果共有长度为L的N根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为kNBIL F (1)式中k为常数。

由图1可知，力的方向是电流方向和磁场向量的函数，是二者的相互作用，如果磁场和导线长度为常量，则产生的力与输入电流成比例，在最简单的音圈电机结构形式中，直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组(见图2)，铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性，铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路。

当给线圈通电时，根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力，通电线圈两端电压的极性决定力的方向。

将圆形管状直线音圈电机展开，两端弯曲成圆弧，就成为旋转音圈电机。

旋转音圈电机力的产生方式与直线音圈电机类似，只是旋转音圈电机力是沿着弧形圆周方向产生的，输出转矩见图3。

1.2电子学原理音圈电机是单相两极装置。

给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动，通过线圈的电流方向决定其运动方向。

当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势)。

基于音圈电机的检测应用摘要：本文在深入了解音圈电机的结构、特点及工作原理的同时，通过借鉴直流电机运动方式和控制方式，采用双线圈的结构，使得电机可以在X和Z轴两个方向做直线运动；通过借鉴直流电机的控制方法，实现控制、驱动和运动一体化，采用了电流、位置、速度三环及分段控制技术，使其能够在较小空间内进行X和Z轴双轴高精度运动。

关键词：音圈电机；双轴运动；测力机构；电机驱动1 引言音圈电机（Voice Coil Actuator）是一种特殊形式的直接驱动电机，能将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转化机构的传动装置。

其原理是：在均匀气隙磁场中放入绕组线圈，绕组线圈通电产生电磁力带动负载作直线往复运动，改变电流的强弱和极性，就可以改变电磁力的大小和方向{1}。

其结构简单、体积小、噪声低、加速度大（超20倍的重力加速度）、响应速度快（毫秒级）、精度高（可达1～5μm）{1}，与传统机械传动方式比较，降低了生产成本，提高了机组的运动精度，提高了机械效率，改善了机械的综合性能{2}。

近年来，随着音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛应用在精密定位系统和许多不同形式的高加速、高频激励、快速和高精度定位运动系统中{3}。

如：引线键合机、点胶机、IC（集成电路）检测机、光刻机、PCB钻孔机、晶圆的取放及元件检测等多种半导体封装设备中{4}。

2 音圈电机基础原理2.1基础结构音圈电机是基于洛伦兹力设计的一种电机，它可以将电能直接转化成机械能而无需任何传动装置。

其主要组成部分有永磁体和线圈绕组，简图如图1所示图1音圈电机运动结构简图其工作原理为：线圈绕组通电后产生电流，在永磁体产生的磁场的作用下，产生洛伦兹力，即电磁力F，电磁力推动线圈绕组沿直线方向运动，从而产生直线型推力，力的大小取决去磁场强度大小B，电流大小I，力的方向取决于去磁场以及电流方向。

若L为切割磁感线的绕组线圈在磁场中的有效长度，N为绕组线圈的匝数，则作用于线圈上的力为：（1）式中K为常数。

图1 音圈电机的三维结构图 图2 音圈伺服电机控制原理图2.2 电机驱动电路设计音圈电机伺服系统采用PWM方式调速立元件晶体管或者MOS管来搭建H己搭建的H桥电路不够稳定，发热量大H桥组件LMD18200[10]，STM32输出的过H桥集成芯片LMD18200放大，进一步控制音圈电机的运动在本系统中，通过STM32F103VCT6信号包括PWM信号、DIR信号和BRANKE信号。

如图4所示为LMD18200的原理图。

3 音圈电机的控制策略“控制”可以定义为一个系统中一个或多个输出量产生影响的结果，其特征是开环作用路径，即控制链路。

“调节”是在一个系统中，对被调节量连续不断地进行检测，与基准量进行比较，并从与基准量平衡补偿的意义上对该被调量产生影响的过程，其特征是闭环作用路径，即调节回路。

音圈电机伺服控制采用两闭环控制，内环为速度流环，外环为位置环。

如图所示。

3.1 音圈电机速度环驱动器速度环以位置为调整目标，时刻检测音圈电机的位置信息，进而调整速度。

因为现实中电机准确定位，用固定占空比控制会导致电机速度随着负载的变化而变化。

选用MicroE 公司的光栅尺作为反馈回路的反馈传感器。

MicroEMTE系列微型读数头，增强型的分辨率0.5μm，标准型的分辨率为1μm。

对速度反馈量做PID算法占空比可以实现速度闭环。

如图6。

图3 STM32F103VCT6引脚图图4 LM18200T驱动原理图图5 控制回路结构原理图图6 速度环方框图图7 阶跃信号的响应曲线图8 速度曲线和位置曲线图9 速度和位置变化曲线6674ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD2016.1的电量，就得到传送给输出的电荷量。

图 3 显示，输出超级电容器用 Midé V25W 换能器充电至 3.6V 。

输出超级电容器充电至 3.6V 大约需要 3300 秒时间。

图2 Midé V25W 给 18µF 输入电容充电，在 208ms 时间内从 4.48V 充电至 5.92V 图3 Midé 25W 给输出超级电容器充电至 3.6V图4 Midé 25W 使输出电容器从 2.5V 充电至 3.6V 图5 当振动源关断时，输出超级电容器放电。